滿(mǎn)足“電老虎”移動(dòng)計(jì)算的需求

麥姆斯咨詢(xún)整理了宜普電源轉(zhuǎn)換公司（EPC）首席執(zhí)行官Alex Lidow公開(kāi)發(fā)表的關(guān)于GaN功率器件原理、應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)的理解，為讀者奉獻(xiàn)一系列文章。在本系列文章中，將討論一些新興應(yīng)用如何利用GaN功率器件的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)終端產(chǎn)品差異化。

滿(mǎn)足“電老虎”移動(dòng)計(jì)算的需求

消費(fèi)者都希望所用的移動(dòng)設(shè)備能完成一系列耗電量不斷增長(zhǎng)的任務(wù)。對(duì)耗電量的要求以及對(duì)小巧輕便的外形需求，與延長(zhǎng)電池壽命的需求相互矛盾，因此對(duì)配電系統(tǒng)提出的要求越來(lái)越高。換句話說(shuō)，需要將高性能負(fù)載點(diǎn)（POL）直流對(duì)直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)得體積小且效率高。

圖1：移動(dòng)產(chǎn)品對(duì)POL的要求，為高性能、超小尺寸和低成本的GaN器件提供了理想的平臺(tái)

減小尺寸并降低核心功率器件的功耗，對(duì)滿(mǎn)足上述需求至關(guān)重要。提高功率晶體管的開(kāi)關(guān)頻率是減小尺寸的已知途徑。如今，氮化鎵（GaN）功率器件提供了實(shí)現(xiàn)更高轉(zhuǎn)換器頻率的新路徑，并將推動(dòng)下一代移動(dòng)計(jì)算的發(fā)展。

提高集成度，速度提高的同時(shí)轉(zhuǎn)換效率不打折

提高頻率是減小尺寸的一種行之有效的方法。對(duì)于移動(dòng)系統(tǒng)而言，實(shí)現(xiàn)高效解決方案同樣重要，這是延長(zhǎng)電池壽命的關(guān)鍵因素。通過(guò)單芯片集成，如增強(qiáng)型氮化鎵功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（eGaN FET）和集成電路（IC）集成，也能夠顯著提高轉(zhuǎn)換器效率。

要實(shí)現(xiàn)高頻和高效率，需要解決寄生電感。寄生電感已被證明會(huì)降低開(kāi)關(guān)速度，從而增加系統(tǒng)功耗。通過(guò)將兩個(gè)eGaN FET集成到單個(gè)器件中，印刷電路板（PCB）的互連電感和所需的間距可以大大減少甚至為零。

圖2：30V單片式半橋GaN功率器件EPC2111，導(dǎo)通電阻為19m ohm（Q1）和8m ohm（Q2）

集成度提高帶來(lái)的第二點(diǎn)有點(diǎn)是能夠優(yōu)化管芯尺寸，并控制場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）和同步整流器的外形。集成化能減小控制FET（Q1）的尺寸，從而減小開(kāi)關(guān)相關(guān)損耗，而尺寸較大的同步整流器（Q2）則可以減小傳導(dǎo)損耗。這樣就能設(shè)計(jì)出“又長(zhǎng)又細(xì)”的控制FET（見(jiàn)圖2），以減小功率環(huán)路電感。圖2中的EPC2111是單片式eGaN半橋IC，為用于高降壓POL轉(zhuǎn)換器而設(shè)計(jì)，其中，控制FET（Q1）大約是同步整流器（Q2）尺寸的四分之一。每個(gè)FET都能夠在5.25mm2的面積中傳輸16A的連續(xù)電流。EPC2111的面積只有硅基金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的七分之一，但開(kāi)關(guān)速度更快，寄生電容也更小。因此，即使在非常高的開(kāi)關(guān)頻率（10 MHz）下，開(kāi)關(guān)損耗也能保持最低，這就是GaN器件非常適合POL應(yīng)用的原因。

DrGaNPLUS功率模塊EPC9204：功率密度達(dá)1000W/in3

尺寸最小、最具成本效益和效率最高的非隔離12V-1.0V POL轉(zhuǎn)換器，適用于高性能計(jì)算、加密數(shù)字貨幣和電信應(yīng)用。單片式eGaN IC半橋如EPC2111，可以幫助實(shí)現(xiàn)。

DrGaNPLUS功率模塊EPC9204選用EPC2111作為應(yīng)用演示（如圖3所示）。它是一種同步Buck轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生的功率密度為1000W/in3，每相輸出電流為12A。

圖3：EPC9204開(kāi)發(fā)板最大高度為1.2mm，在12V輸入電壓，1V輸出電壓和12A負(fù)載工作時(shí)功率密度為1000W/in3

功率模塊EPC9204（如圖4所示）使用單片式eGaN半橋EPC2111配置為同步Buck拓?fù)洹９β誓KEPC9204（如圖3所示）還配置村田（Murata）下屬公司pSemi提供的半橋柵極驅(qū)動(dòng)器PE29102、輸入和輸出濾波器以及電流和溫度傳感功能。EPC9204板上高度最高的組件只有1.2mm。eGaN FET的高頻能力大大降低了對(duì)濾波的要求，從而實(shí)現(xiàn)了尺寸更小、損耗更低、經(jīng)優(yōu)化后的輸出濾波電感。

圖4：配置有EPC2111的開(kāi)發(fā)板EPC9204的電路框圖，非常適合12V-1V POL轉(zhuǎn)換

EPC9204在負(fù)載5A、頻率5MHz時(shí)，峰值效率達(dá)到78%，在氣流速度為400 LFM時(shí)FET的最高溫度為100℃。圖5顯示了器件分別工作在3MHz、5MHz和10MHz時(shí)，負(fù)載高達(dá)12A時(shí)的效率曲線圖。

圖5：EPC9204配置單片式eGaN半橋EPC2111，輸入電壓為12V、輸出電壓為1V時(shí)，效率與輸出電流的關(guān)系圖

高頻12V-1V POL轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)從硅基MOSFET轉(zhuǎn)移到eGaN IC是未來(lái)的必然趨勢(shì)，這是因?yàn)楹笳叩男矢摺⒊叽绺∏页杀靖?。?列出了基于eGaN設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器的材料清單（BOM），每瓦成本低于0.20美元。

表1：基于50萬(wàn)顆單片式eGaN 12V-1V轉(zhuǎn)換器價(jià)格估算的材料清單

基于eGaN IC的12A負(fù)載的12V-1V轉(zhuǎn)換器在5MHz時(shí)產(chǎn)生的峰值效率為78%，功率密度至少為1000W/in3，成本均低于0.20美元/瓦。

總結(jié)

消費(fèi)者對(duì)能執(zhí)行越來(lái)越多耗電任務(wù)又保持小巧輕便的移動(dòng)設(shè)備的追求不會(huì)停止。要跟上消費(fèi)者的要求，減小尺寸、核心功率電子器件的功耗降低顯得至關(guān)重要。

移動(dòng)設(shè)備中電源系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換電路占據(jù)了近一半的空間，并決定了電路板的最大高度。減小尺寸的最直接方法是提高開(kāi)關(guān)頻率，從而減小輸出電容和電感的尺寸?；诠杌腜OL系統(tǒng)通常在1 MHz甚至更低頻率下運(yùn)行。GaN功率器件能夠在如10 MHz的高頻率下高效運(yùn)行，將極大地減少下一代移動(dòng)計(jì)算的電路板面積和高度。